Fizycy od dawna starają się odkryć ciemną materię i rzucić okiem na tajemniczą substancję, która stanowi jedną czwartą wszechświata. Jeden pomysł na to, co kryje się pod płaszczem niewidzialności? Wiele małych, rozmytych cząstek, które zachowują się jak jedna gigantyczna cząstka.
Ale ostatnie polowanie na takie rozmyte, ultralekkie cząsteczki, opublikowane 28 lutego w Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, przyszło z pustymi rękami.
Wyniki sugerują, że jeśli ciemna materia jest naprawdę zbudowana z tych drobnych cząstek, jest tak nieuchwytna, jak sugeruje jej nazwa, i prawie nie wchodzi w interakcje ze zwykłą materią.
Serce ciemności
Ciemna materia jest jedną z najlepiej strzeżonych tajemnic wszechświata. Rzeczy nie oddziałują ze światłem, ale działają grawitacyjnie na inną materię. Choć stanowi około jednej czwartej masy i energii we wszechświecie, naukowcy nie mogą go znaleźć, ani nawet dowiedzieć się, z czego są zrobione.
Wielu naukowców spekuluje, że ciemna materia może składać się ze słabo oddziałujących masywnych cząstek, WIMP. Ale teorie WIMP są krótkie na kilka sposobów. Na przykład cząstki te powinny powodować małe struktury w sieci galaktyk, których astronomowie nie widzieli. Zamiast tego niektórzy naukowcy szukają ciemnej materii w innym kierunku - do ultralekkich cząstek.
Chociaż istnieje wiele pomysłów na to, czym może być ciemna materia, żadna z nich nie ma wielu dowodów potwierdzających, powiedział Sergey Troitsky, współautor artykułu i badacz w Instytucie Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk. „Więc trzeba rozważyć, przestudiować i wykluczyć wszystkie możliwości jedna po drugiej”.
Niektóre teorie ultralekkie, znane również jako rozmyta, ciemna materia, proponują cząsteczkę, która jest około 10 ^ 28 razy lżejsza od elektronu. Ta „rozmyta” ciemna materia jest tak nazwana, ponieważ jej mała masa oznacza, że działa bardziej jak rozmazana cząstka z rozmytym granice niż fala. Nowe badania przetestowały sposób poszukiwania tego typu cząstek w świetle z aktywnych galaktyk.
Ponieważ ciemna materia stanowi tak dużą część wszechświata, jeśli jest zbudowana z ultralekkich cząstek, musi być ich dużo. Tak wielu, że istniałyby w wyjątkowym stanie, takim jak pole lub kondensat Bosego-Einsteina - stan, w którym cząstki, często w bardzo chłodnych temperaturach, zbijają się razem i działają w spójny sposób. Podczas gdy pojedyncze cząstki ciemnej materii nie wchodzą w interakcje ze światłem - dlatego naukowcy starali się je znaleźć - w dużych skalach, pole miałoby zauważalny wpływ na polaryzację lub orientację światła, gdy kręci się w przestrzeni. Stałoby się tak, ponieważ gęstość pola regularnie oscyluje, w efekcie zmieniając sposób, w jaki światło przemieszcza się w tym regionie.
Teoria sugeruje, że efekt ten można zaobserwować w obszarze ciemnej materii o średnicy co najmniej 325 lat świetlnych. Szybkość oscylacji pola zależy bezpośrednio od masy ultralekkich cząstek ciemnej materii, więc widząc ten efekt naukowcy mieli nadzieję, że będą w stanie zmierzyć masę ciemnej materii.
Aby szukać zmian w polaryzacji światła spowodowanych polami ultralekkiej ciemnej materii, naukowcy przyjrzeli się archiwalnym danym z Very Long Baseline Array, radioteleskopu złożonego z 10 (82 stóp) (25 metrów) teleskopów obsługiwanych przez Socorro, New Meksyk. Skoncentrowali się na świetle z serc 30 galaktyk, które wyrzucają ogromne ilości materii w dżetach, które mogą rozciągać się na setki lat świetlnych. Światło z tych galaktyk jest silnie spolaryzowane i zostało dobrze zbadane, więc długoterminowe dane archiwalne na ich temat były już dostępne.
„Często używamy danych astrofizycznych z opublikowanych artykułów lub publicznie dostępnych baz danych w celu ograniczenia właściwości cząstek elementarnych” - powiedział Troitsky Live Live. „Tym razem skontaktowaliśmy się z innymi radioastronomami, którzy wykopali swoje dane, starannie dobierając serie obserwacyjne do naszych zadań”.
Analizując dwie dekady danych, naukowcy odkryli wiele oscylacji, ale nie tych, których szukali. Aktywne jądra galaktyczne często pulsują bez regularnej częstotliwości. Ale oscylacje z ultralekkiej ciemnej materii występowałyby w tym samym czasie między oscylacjami.
Ostatecznie naukowcy nie dostrzegli żadnych oznak ultralekkiej ciemnej materii, przynajmniej takich rodzajów mas, które mogłyby wyjaśnić brak małych struktur znajdujących się w sieci galaktyk. Nie oznacza to jednak, że absolutnie nie istnieją.
„Nie ma gwarancji, że ma cząstkę ciemnej materii każdy interakcja z widzialnym światem poza grawitacją - powiedział Troitsky. - Bardzo trudno byłoby odkryć taką cząsteczkę z pewną masą i bez innej interakcji, chociaż jest to rzeczywiście jedna z najprostszych opcji wyjaśniających ciemną materię.
Chociaż nowe badania mogą sprawić, że konwencjonalna ultralekka ciemna materia jest mało prawdopodobna, badacze nie są gotowi wykluczyć.
„Jedyne, co wiemy na pewno o ciemnej materii, to to, że leży ona poza znaną fizyką cząstek”, powiedział Rennan Barkana, astronom z Uniwersytetu Tel Awiw w Izraelu, który nie był zaangażowany w badania. „Tak więc, dopóki nie uzyskamy przekonujących dowodów obserwacyjnych dotyczących natury ciemnej materii, powinniśmy uważać na domysły i spekulacje… i zachować otwarty umysł”.
